NANOTUBURI DE CARBON: STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, APLICAȚII, TOXICITATE - CHIMIE - 2025

Cele Nanotuburile de carbon sunt tuburi sau cilindri foarte mici si foarte subtiri formate doar de atomi de carbon (C). Structura tubulară este vizibilă doar prin microscopele electronice. Este un material negru solid, alcătuit din mănunchiuri foarte mici sau pachete de câteva zeci de nanotuburi, încurcate între ele pentru a forma o rețea complicată.

Prefixul „nano” înseamnă „foarte mic”. Cuvântul „nano” utilizat în măsurare înseamnă că este o miliardime din măsurătoare. De exemplu, un nanometru (nm) este o miliardime de metru, adică 1 nm = 10 ^-9 m.

Proba de nanotub de carbon. Se poate observa că este un solid negru cu aspect asemănător carbonului. Shaddack. Sursa: Wikimedia Commons.

Fiecare nanotub de carbon este format dintr-una sau mai multe foi de grafit înfășurate în jurul lor. Acestea sunt clasificate în nanotuburi cu un singur perete (o singură coală laminată) și nanotuburi cu mai multe pereți (doi sau mai mulți cilindri unul în interiorul celuilalt).

Nanotuburile de carbon sunt foarte puternice, au o rezistență ridicată la rupere și sunt foarte flexibile. Ele conduc caldura si electricitatea foarte bine. De asemenea, alcătuiesc un material foarte ușor.

Aceste proprietăți le fac utile în diverse domenii de aplicare, cum ar fi industria auto, aerospațială și electronică, printre altele. De asemenea, au fost utilizate în medicină, de exemplu pentru transportul și livrarea medicamentelor anticancerigene, vaccinuri, proteine ​​etc.

Cu toate acestea, manipularea sa trebuie făcută cu echipament de protecție, deoarece atunci când este inhalat poate provoca leziuni la plămâni.

Descoperirea nanotuburilor de carbon

În comunitatea științifică există opinii diferite despre cine a descoperit nanotuburile de carbon. Deși există multe lucrări de cercetare cu privire la aceste materiale, doar câteva date importante sunt menționate mai jos.

- În 1903, savantul francez Pélabon a observat filamente de carbon într-un eșantion (microscopurile electronice nu erau încă disponibile la această dată).

- În 1950, fizicianul Roger Bacon al companiei Union Carbide a studiat anumite probe de fibre de carbon și a observat imagini cu nano-puf sau nanobigote drepte și scobite.

- În 1952, oamenii de știință ruși Radușevici și Lukyanovici au publicat fotografii cu imagini ale nanotuburilor de carbon sintetizate de ele însele și obținute cu un microscop electronic, unde se observă clar că sunt goale.

- În 1973, oamenii de știință ruși Bochvar și Gal'pern au finalizat o serie de calcule ale nivelurilor de energie ale orbitelor moleculare arătând că foile de grafit se pot răsuci asupra lor pentru a forma „molecule goale”.

- În 1976, Morinobu Endo a observat fibre de carbon cu un centru scobit produs de piroliza benzenului și a ferrocenului la 1000 ° C (piroliza este un tip de descompunere care se produce cu încălzirea la temperaturi foarte ridicate în absența oxigenului).

- În 1991, entuziasmul pentru nanotuburile de carbon a fost stârnit după ce Sumio Iijima a sintetizat ace de carbon realizate din tuburi goale, folosind tehnica arcului electric.

- În 1993, Sumio Iijima și Donald Bethune (care lucrează independent unul de celălalt) au descoperit simultan nanotuburi de carbon cu un singur perete.

Interpretarea unor surse consultate

Conform unor surse de informații, probabil că creditul pentru descoperirea nanotuburilor de carbon ar trebui să se adreseze în 1952 oamenilor de știință ruși Radușevici și Lukyanovici.

Se crede că nu li s-a acordat creditul cuvenit, deoarece la acea vreme așa-numitul „război rece” a existat, iar oamenii de știință occidentali nu au avut acces la articole rusești. În plus, nu mulți s-ar putea traduce din rusă, ceea ce a întârziat și mai mult cercetarea acestora să fie analizată în străinătate.

În multe articole se spune că Iijima a fost cel care a descoperit nanotuburile de carbon în 1991. Cu toate acestea, unii cercetători estimează că impactul lucrărilor lui Iijima se datorează faptului că știința a atins deja un grad suficient de maturitate pentru a aprecia importanța nanotuburilor de carbon. nanomateriale.

Unii spun că, în acele decenii, fizicienii nu au citit articole în revistele de chimie, unde se discutau deja despre nanotuburile de carbon și că din acest motiv au fost „surprinși” de articolul lui Iijima.

Dar toate acestea nu diminuează calitatea înaltă a lucrărilor lui Iijima din 1991. Și diferența de opinie rămâne.

Nomenclatură

- Nanotuburi de carbon sau CNTs (Carbon NanoTubes).

- Nanotuburi de carbon cu un singur perete sau SWCNTs (NanoTuburi cu un singur perete de carbon).

- Nanotuburi de carbon cu mai mulți pereți sau MWCNTs (NanoTubes de carbon cu mai multe pereți).

Structura

Structura fizică

Nanotuburile de carbon sunt tuburi sau cilindri foarte fine și mici a căror structură poate fi văzută doar cu un microscop electronic. Ele constau dintr-o foaie de grafit (grafen) rulat într-un tub.

Un nanotub de carbon este o foaie laminată de grafit sau grafen: (a) imaginea teoretică a foii de grafit, (b) imaginea teoretică a foliei laminate sau nanotubului de carbon. OpenStax. Sursa: Wikimedia Commons.

Sunt molecule cilindrice scobite, compuse exclusiv din atomi de carbon. Atomii de carbon sunt aranjați sub formă de mici hexagoni (poligoane cu 6 fețe) similare cu benzenul și legate între ele (inele de benzen condensat).

Desen al unui nanotub de carbon unde puteți vedea micii hexagoni de 6 atomi de carbon. Utilizator: Gmdm. Sursa: Wikimedia Commons.

Tuburile pot fi sau nu conectate la orificiile lor și pot fi extrem de lungi în comparație cu diametrele lor. Ele sunt echivalente cu foi de grafit (grafen) laminate în tuburi transparente.

Structura chimică

CNT-urile sunt structuri poliaromatice. Legăturile dintre atomii de carbon sunt covalente (adică nu sunt ionice). Aceste legături se află în același plan și sunt foarte puternice.

Puterea legăturilor C = C face ca CNT-urile să fie foarte rigide și puternice. Cu alte cuvinte, pereții acestor tuburi sunt foarte puternici.

Articulațiile exterioare sunt foarte slabe, ceea ce înseamnă că nu există articulații puternice între un tub și altul. Cu toate acestea, acestea sunt forțe atractive care permit formarea de mănunchiuri sau mănunchiuri de nanotuburi.

Clasificare în funcție de numărul de tuburi

Nanotuburile de carbon sunt împărțite în două grupuri: nanotuburi cu un singur perete, sau SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube), și nanotuburi cu mai multe pereți, sau MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Tipuri de nanotuburi: (1) imagine reală a nanotubului cu mai multe pereți, (2) desen de nanotub cu un singur perete, (3) desen de tablă de grafit sau de grafen. W2raphael. Sursa: Wikimedia Commons.

Nanotuburile de carbon cu un singur perete (SWCNT) sunt alcătuite dintr-o singură foaie de grafen rostogolită într-un cilindru, în care vârfurile hexagonelor se potrivesc perfect pentru a forma un tub fără sudură.

Nanotuburile de carbon cu mai mulți pereți (MWCNT) sunt alcătuite din cilindri concentrici așezați în jurul unui centru gol comun, adică doi sau mai mulți cilindri tubulari așezați unul în interior.

Nanotuburile cu pereți multipli sunt formate din doi sau mai mulți cilindri unul în interiorul celuilalt. Eric Wieser. Sursa: Wikimedia Commons.

Imagine reală a unui nanotub de carbon cu mai mulți pereți obținut cu un microscop electronic. Oxiran. Sursa: Wikimedia Commons.

Clasificare în funcție de forma înfășurării

În funcție de modul de rulare a foii de grafen, modelul format de hexagoni în CNT poate fi: în formă de scaun, în formă de zig-zag și elicoidal sau chiral. Iar acest lucru îi influențează proprietățile.

Imagine reală a nanotubului de carbon chiral sau elicoidal. Taner Yildirim (Institutul Național de Standarde și Tehnologie - NIST). Sursa: Wikimedia Commons.

Proprietăți fizice

Nanotuburile de carbon sunt solide. Ei se reunesc pentru a forma buchete, pachete, pachete sau „șiruri” din câteva zeci de nanotuburi, îmbinate împreună pentru a forma o rețea foarte densă și complicată.

Imagine reală a nanotuburilor de carbon obținute cu un microscop electronic. Se poate observa că formează mănunchiuri care se împletesc între ele. Materialist la Wikipedia Wikipedia. Sursa: Wikimedia Commons.

Au o rezistență la tracțiune mai mare decât cea a oțelului. Acest lucru înseamnă că au o rezistență ridicată la rupere atunci când sunt supuși stresului. În teorie, acestea pot fi de sute de ori mai puternice decât oțelul.

Sunt foarte elastice, pot fi îndoite, răsucite și pliate fără deteriorare și apoi revin la forma inițială. Sunt foarte ușoare.

Sunt buni conductori de căldură și electricitate. Se spune că au un comportament electronic foarte versatil sau că au o conductivitate electronică ridicată.

Tuburile CNT ale căror hexagoane sunt dispuse în formă de fotoliu au un comportament metalic sau similar cu cel al metalelor.

Cele aranjate într-un model zig-zag și elicoidal pot fi metalice și semiconductoare.

Proprietăți chimice

Datorită rezistenței legăturilor dintre atomii lor de carbon, CNT-urile pot rezista la temperaturi foarte ridicate (750 ° C la presiunea atmosferică și 2800 ° C sub vid).

Capetele nanotuburilor sunt mai reactive din punct de vedere chimic decât partea cilindrică. Dacă sunt supuse oxidării, capetele sunt oxidate mai întâi. Dacă tuburile sunt închise, capetele se deschid.

Când sunt tratate cu acid azotic HNO ₃ sau acid sulfuric H ₂ SO ₄ în anumite condiții, CNT-urile pot forma grupări de tip carboxilic -COOH sau grupe de tip quinonă O = CC ₄ H ₄ -C = O.

CNT-urile cu diametre mai mici sunt mai reactive. Nanotuburile de carbon pot conține atomi sau molecule din alte specii în canalele lor interne.

Solubilitate

Datorită faptului că CNT-urile nu au niciun grup funcțional pe suprafața lor, este foarte hidrofob, adică este extrem de slab compatibil cu apa și nu este solubil în ea sau în solvenții organici nepolari.

Cu toate acestea, dacă reacționează cu unii compuși, CNT-urile pot deveni solubile. De exemplu cu acidul azotic HNO ₃ poate fi solubilizat în niște solvenți de tip amidă în anumite condiții.

Proprietăți biochimice

Nanotuburile de carbon pur sunt bioincompatibile, ceea ce înseamnă că nu sunt compatibile sau legate de viață sau de țesuturile vii. Acestea generează un răspuns imunitar din partea organismului, deoarece sunt considerate elemente agresive.

Din acest motiv, oamenii de știință le modifică chimic în așa fel încât să fie acceptate de țesuturile organismului și să poată fi utilizate în aplicații medicale.

Ele pot interacționa cu macromolecule precum proteinele și ADN-ul, care este proteina care compune genele ființelor vii.

Obținerea

Nanotuburile de carbon sunt obținute din grafit prin diverse tehnici, cum ar fi vaporizarea pulsului cu laser, descărcări cu arc electric și depunerea de vapori chimici.

De asemenea, au fost obținute dintr-un flux de înaltă presiune de monoxid de carbon (CO) prin creșterea catalitică în faza gazoasă.

Prezența catalizatorilor metalici în unele metode de producție ajută la alinierea nanotuburilor cu mai mulți pereți.

Cu toate acestea, un nanotub de carbon nu este o moleculă care se dovedește întotdeauna la fel. Conform metodei de preparare și condițiilor, acestea sunt obținute cu lungimea, diametrul, structura, greutatea și, prin urmare, prezintă diferite proprietăți.

Aplicații ale nanotuburilor de carbon

Proprietățile CNT-urilor le fac potrivite pentru o mare varietate de utilizări.

Au fost utilizate în materiale structurale pentru electronică, optică, materiale plastice și alte produse în domeniile nanotehnologiei, producției aerospațiale și auto.

Nanotuburile de carbon au multe utilizări diferite. Aceasta este o imagine reală a nanotuburilor de carbon obținute cu un microscop electronic. Ilmar Kink. Sursa: Wikimedia Commons.

Compoziții sau amestecuri de materiale cu CNT

CNT-urile au fost combinate cu polimeri pentru a realiza fibre și țesături de polimer armat de înaltă performanță. De exemplu, au fost utilizate pentru a consolida fibrele de poliacrilonitril în scopuri de apărare.

Amestecurile de CNT cu polimeri pot fi, de asemenea, proiectate pentru a poseda diferite proprietăți conductoare electric. Acestea îmbunătățesc nu numai rezistența și rigiditatea polimerului, dar adaugă și proprietăți ale conductivității electrice.

Fibrele și țesăturile CNT sunt, de asemenea, fabricate cu puteri similare cu oțelul din aluminiu și carbon, dar care sunt mult mai ușoare decât acestea. Armura de corp a fost proiectată cu astfel de fibre.

De asemenea, au fost folosite pentru obținerea ceramicii mai rezistente.

Dispozitive electronice

Nanotuburile de carbon au un potențial ridicat în electronica în vid, nanodevice și stocarea energiei.

CNT-urile pot funcționa ca diode, tranzistoare și relee (dispozitive electromagnetice care permit deschiderea și închiderea circuitelor electrice).

De asemenea, pot emite electroni atunci când sunt supuși unui câmp electric sau dacă este aplicată o tensiune.

Senzori de gaz

Utilizarea CNT-urilor în senzorii de gaz permite ca acestea să fie mici, compacte și ușoare și că pot fi combinate cu aplicații electronice.

Configurația electronică a CNT face ca senzorii să fie foarte sensibili la cantități extrem de mici de gaze și, în plus, CNT-urile pot fi adaptate chimic pentru a detecta gaze specifice.

Aplicații medicale

Datorită suprafeței lor ridicate, a stabilității chimice excelente și a structurii poliaromatice bogate în electroni, CNT-urile pot adsorbi sau conjuga cu o mare varietate de molecule terapeutice, cum ar fi medicamente, proteine, anticorpi, enzime, vaccinuri etc.

S-au dovedit a fi vehicule excelente pentru transportul și livrarea de droguri, care pătrund direct în celule și mențin medicamentul intact în timpul transportului său prin corp.

Acesta din urmă face posibilă reducerea dozei de medicament și a toxicității acestuia, în special a medicamentelor anticanceroase.

CNT-urile s-au dovedit utile în terapiile împotriva cancerului, infecțiilor, regenerării țesuturilor, bolilor neurodegenerative și ca antioxidanți.

De asemenea, sunt utilizate în diagnosticul bolilor, în anumite analize, cum ar fi biosenzorii, separarea medicamentelor și extragerea compușilor biochimici.

De asemenea, sunt utilizate în proteze ortopedice și ca material de sprijin pentru creșterea țesutului osos.

Alte aplicatii

De asemenea, au fost sugerate ca materiale pentru membranele cu baterii și celule de combustibil, anoduri pentru baterii cu ioni de litiu, supercapacitoare și filtre chimice.

Conductibilitatea electrică ridicată și inerția chimică relativă îi fac utili ca electrozi în reacțiile electrochimice.

De asemenea, pot adera la particule reactante și, datorită suprafeței lor mari, pot funcționa ca suporturi ale catalizatorului.

De asemenea, au capacitatea de a stoca hidrogen, care este foarte util în vehiculele care circulă cu gazul menționat, deoarece cu CNT-urile ar putea fi transportat în siguranță.

Toxicitatea nanotubului de carbon

Studiile au relevat dificultăți în evaluarea toxicității CNT-urilor. Aceasta pare să depindă de caracteristici precum lungimea, rigiditatea, concentrarea și durata expunerii la CNT. De asemenea, depinde de metoda de producție și de puritatea CNT-urilor.

Cu toate acestea, se recomandă utilizarea echipamentului de protecție la manipularea CNT-urilor, deoarece există studii care indică similaritatea lor cu fibrele de azbest și că inhalarea prafului CNT poate provoca leziuni la plămâni.

Tehnician care cântărește probe de nanotuburi de carbon. Puteți vedea instrumentele de protecție pe care le folosește. Institutul Național pentru Sănătate și Securitate în Muncă. Sursa: Wikimedia Commons.

Imagine reală a modului în care un nanotub de carbon trece printr-o celulă într-un plămân. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova și Dale W. Porter / NIOSH. Sursa: Wikimedia Commons.

Referințe

1. Basu-Dutt, S. și colab. (2012). Chimia nanotuburilor de carbon pentru toată lumea. J. Chem. Educ. 2012, 89, 221-229. Recuperat din pubs.acs.org.
2. Monthioux, M. și Kuznetsov, VL (editori). (2006). Cui ar trebui să i se acorde creditul pentru descoperirea nanotuburilor de carbon? Carbon 44 (2006) 1621-1623. Recuperat de la sciencedirect.com.
3. Eatemadi, A. și colab. (2014). Nanotuburi de carbon: proprietăți, sinteză, purificare și aplicații medicale. Scrisori de cercetare la nano-scară 2014, 9: 393. Recuperat din ncbi.nlm.nih.gov.
4. Sajid, MI și colab. (2016) Nanotuburi de carbon de la sinteză la aplicații biomedicale in vivo. Revista internațională de farmaceutică 501 (2016) 278-299. Recuperat din ncbi.nlm.nih.gov.
5. Ajayan, PM (1999). Nanotuburi din carbon. Chem. 1999, 99, 1787-1799. Recuperat din pubs.acs.org.
6. Niyogi, S. și colab. (2002). Chimia nanotuburilor de carbon cu un singur perete. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1105-1113. Recuperat din pubs.acs.org.
7. Awasthi, K. și colab. (2005). Sinteza nanotuburilor de carbon. J Nanosci Nanotechnol 2005; 5 (10): 1616-36. Recuperat din ncbi.nlm.nih.gov.
8. Grobert, N. (2007). Nanotuburi de carbon - devenind curate. Materialstoday Volume 10, Edițiile 1-2, paginile 28-35. Recuperat de la reader.elsevier.com.
9. He, H. și colab. (2013). Nanotuburi de carbon: aplicații în farmacie și medicină. Biomed Res Int. 2013; 2013: 578290. Recuperat din ncbi.nlm.nih.gov.
10. Francis, AP și Devasena, T. (2018). Toxicitatea nanotuburilor de carbon: o revizuire. Toxicologie și sănătate industrială (2018) 34, 3. Recuperat din jurnale.sagepub.com.
11. Harik, VM (2017). Geometria nanotuburilor de carbon și a mecanismelor de fagocitoză și efecte toxice. Toxicol Lett 2017, 273: 69-85. Recuperat din ncbi.nlm.nih.gov.